《电力有源滤波器技术的探讨》.pdf

电力有源滤波器技术的探讨 海军工程大学吴正国教授 随着大功率开关器件的日益广泛应用，电力系统谐波抑制及无功补偿问题变得日益 迫切，电力有源滤波技术是解决上述问题的有效手段。本文简要介绍电力有源滤波 技术的原理、分类和控制策略，并对电子有源滤波技术的国内外发展状况和应用中 应考虑的一些问题作一些简要介绍。 1 引言 电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱，有人预言：电力电子技术连同运动 控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。然而，电力电子技术带 来方便、高效的巨大利益的同时，它的非线性、冲击性和不平衡用电特性，也给公 用电网的供电质量造成严重污染，对公用电网注入大量的谐波和无功功率。另一方 面，随着以计算机为代表的大量敏感设备的普及应用，人们对公用电网的供电质量 要求越来越高，对电网中的谐波含量及用电设备的功率因数提出了更严格的要求。 传统的谐波抑制和无功补偿方法是无源滤波技术，即使用由电力电容器等无源器件 构成无源滤波器，该无源滤波器与需补偿的非线性负载并联，为谐波提供一个低阻 通路的同时也提供负载所需要的无功功率。虽然无源滤波器具有简单、方便的优 点，但它也存在如下缺点： ①只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条 件下会产生谐振而使谐波放大；②只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不 能进行精确补偿；③其滤波特性受系统参数影响较大，并且其滤波特性有时很难与 调压要求相协调；④重量与体积较大等等。 针对无源滤波技术的上述缺点，1976年，L·Gyugi提出用PWM逆变器构成“电力 有源滤波器”(active power filter,简称APF)。80年代以后，由于电力电子器件 及其控制技术的发展，APF技术的发展逐步走向成熟，在国外已得到广泛应用。与 无源滤波器相比，APF具有高度可控制和快速响应特性，并且能跟踪补偿各次谐 波、自动产生所需变化的无功功率，其特性不受系统影响，无谐波放大危险，相对 体积重量较小等突出优点，因而已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段。APF 的推广应用也必将给我国电力工业带来巨大的经济效益和社会效益。 本文首先简要介绍电力有源滤波技术的基本原理和分类：然后着 重介绍APF中已 提出的几种主要控制策略；最后，对APF技术的国内外发展状况及应用时应考虑的 一些问题作简单介绍，以便引起大家对APF推广应用的兴趣。 2 电力有源滤波器的基本原理 图1所示为最基本的电力有源滤波器系统构成的原理图。图中，Us表示交流电 源，负载为非线性负载，它产生谐波并消耗无功功率。 电力有源滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电 路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成)。 指令电流运算电路的功能主要是从负载电流i L 中分离出谐波电流分量i Lh和基 波无功电流i Lg，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号i c=(i Lh＋i Lq)。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流 i c o应跟踪i c的 原则，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路， 产生补偿电流i c o， 由于i c≈i c o, 所以 i S=i L＋i c=i L＋i c o=i L－（i Lh＋i Lq）=i Lp 即电源电流i S中只含有基波的有功分量i Lp，从而达到消除谐波与进行无功补 偿的目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分 量进行补偿。 电力有源滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不 同，可分为电压型APF(储能元件为电容)和电流型APF(储能元件为电感)。电压型 APF在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流 侧输出为PWM电压波。而电流型APF在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直 流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电压型APF的优点是损 耗较少，效率高，是目前国内外绝大多数APF采用的主电路结构。电流型APF由于 电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感内阻上将产生较大损耗，所以目前较 少采用。但是电流型APF由于开关器件不会发生直通短路现象，随着超导储能磁体 研究的进展，也将促进多功能电流型APF投入实用。 从上述原理可以看出，电力有源滤波器是运用瞬时滤波形成技术，对包含谐波和无 功分量的非正弦波进行“矫正”，这与基于稳态频谱的“滤波”概念已有很大的不 同，而类似于自适应滤波技术中的“干扰抵消器”。因此，